极端微生物研究意义（研究活跃在生命禁区）

极端环境是指环境中的某种或某些物理、化学因子超出人类已知的绝大多数生物适宜栖息的极限值，如高温、低温、高碱、高酸、高盐度、高压、极端缺氧、高浓度重金属离子、高辐射强度等。

地球上分布着各种各样的极端环境，如荒漠和沙漠通常是极度干旱、强辐射、寡营养、极高温差等；冰冻圈是极端低温、营养贫瘠、强辐射环境；深海则属于低温和极高水压环境等。人类的活动也制造各种人为极端环境，如盐渍化土壤、核辐射污染、有毒化学污染等。

地球上的典型极端环境

A. 挪威冰川：B. 甘肃河西走廊戈壁：C. 美国黄石公园温泉：D. 青海格尔木盐湖：E. 维奥达拉特海底热液喷口喷涌的高温富含矿物质的海水：F. 西班牙力拓铁矿排出的极低pH酸矿水形成的河流(图片来源：http://image.baidu.com)

一直以来，人们认为极端环境中是没有生物生存的。直到1965年，Thomas D. Brock从美国黄石公园温泉中首次分离到能够在高于70℃的条件下生长的栖热水生菌(Thermus aquaticus)，随后又分离到能够在高于85℃生长的嗜酸热硫化叶菌(Sulfolobus acidocaldarius)，极端环境中的微生物研究逐渐引起科学家的广泛关注，并显示出诱人的前景。

极端环境微生物学的意义

极端环境微生物是先锋生物，其生存环境对普通生物而言是不可耐受的。从含酸矿液到盐碱地，从高辐射低气压的大气平流层到高放射高压的地下岩层，从高海拔和高纬度地区的冰川冻土到接近沸点的温泉和海底火山口，在这些“生命禁区”，无处不活跃着极端微生物。极端微生物的生态、分类、代谢、进化等均与一般生物有别，并蕴藏着优异的抗逆基因资源，具有重要的研究价值和应用前景。

极端微生物研究的意义不仅在于探索生命过程的奥秘，揭示地球上生命的起源与演化，以及为寻找地外生命提供线索，还在于它所具有的巨大的应用价值。

极端环境微生物为生命起源和生物进化等生物学基本问题的研究提供了理想的研究模型，是极其珍贵的科研资源。研究极端环境微生物的基本生物学特点及其适应机制，对于揭示生物起源的奥秘和进化规律，阐明生物多样性形成的机制和动力，认识生命与环境的相互作用，尤其是与地球化学变化之间的关系，具有极为重要的意义。许多超极端的古菌，多以无机自养方式生活，出现在有机异养之前，它们均属于生命树根部的进化分支，而且生理特征和生活环境与地球开始出现生命时的地质化学和环境状况可能相似。因此，这些极端微生物可能代表最古老的生命类群，是寻找最早生命形式和探索生命起源的最重要的研究对象。极端环境微生物是生命的奇迹，它们蕴涵着生命进化历程的丰富信息，代表着生命对环境的极限适应能力，为地球的生物圈界定了环境边界的极限，也提供了探索生命极限的线索。

极端微生物地球化学研究将加速我们对生物圈和地圈长期协同演化的了解，不仅有助于揭示生命起源、生命极限、生命本质甚至其他生命形式等生命科学中最大的悬念，而且有助于认识生命与环境相互作用规律，为弄清古气候变化及地球的化学演化提供重大线索。

极端微生物代表着生命对环境的极限适应能力，是一大类超越人们想象的丰富的生物资源，是生物遗传和功能多样性最为丰富的宝藏，是一种宝贵的战略资源，为人类提供丰富的微生物资源及特异性的基因资源。极端环境中的微生物为了生存，逐步形成独特的结构、生理机能和基因组。极端微生物特殊的基因类型、生理机制及代谢产物，具有极大的应用价值，将使某些新的生物技术手段成为可能，极大地推动生物技术的发展和极端环境微生物资源在生物技术产业中的利用。例如，生物大分子的热稳定性结构为工业用酶的结构改造和耐高温生物物质的生产提供了思路，嗜盐古菌的细胞表面蛋白质的氨基酸组成及糖基化水平为人工设计适应极端条件的人工膜结构提供了良好的借鉴。

极端环境微生物学的发展趋势

21世纪以来，极端环境微生物学领域的研究已经发现了许多诱人的微生物，其中多数为原核生物。然而，尽管已经发表了数千篇极端微生物研究论文，但有关极端微生物的许多基本问题仍未解决。

极端微生物能在地球生命的极限条件下生存，但还不知道生命的准确的极限是多少，尤其是温度和压力。

在多种极端环境因子复合存在时，多重嗜极微生物(pluri-extremophiles)对每种环境物理化学因子的耐受极限又会有什么不同，仍然不清楚。

对人类星球上新的生物世界的探索仍将继续。

不同极端环境类型可能孕育着新的极端微生物，代表着新的进化类型，有着不同的代谢途径和代谢酶，对其细胞和分子适应机制的揭示，仍是极端环境微生物学的主题，而这些研究可能打开新的潜在的应用前景。

对生命生存极限的不断突破，可能推动地球以及其他星球上生命起源的新理论的产生。

对极热、强辐射和有毒物质强耐受性的极端微生物的研究也是天体生物学研究的热门领域。

目前，极端微生物已成为国际研究的热门领域，日本、美国、欧洲和我国等都先后启动极端微生物的研究计划。

主要研究工作包括：新物种的发现、新产物的研究与生产、酶分子结构及其耐受极端物理化学因子的机制、重要特异性功能基因的克隆与表达、适应机制的分子基础及遗传原理、基因组与蛋白质组分析等方面。尤其是极端微生物产生的极端酶在极端的条件下具有高活性和稳定性，是现代酶学研究的焦点。极端酶的研究将会成为酶学研究和微生物资源开发利用的重要方向。

未来，极端微生物学的主要研究工作方向仍然会集中在以下几方面：

▌ 生命耐受极限环境物理化学因子的探究；

▌ 极端微生物新物种的分离培养与鉴定；

▌ 极端酶结构与功能及其基因的克隆和表达研究；

▌ 极端微生物适应极端环境的遗传和分子机制；

▌ 极端微生物基因组和蛋白质组分析及特异基因资源的挖掘；

▌ 极端微生物新产物的研究、生产与应用。

本文由刘四旦摘编自刘光琇主编《极端环境微生物学》（北京：科学出版社, 2016.5）一书“第一章 绪论”部分。有删节，原文标题“极端环境微生物学的研究意义和发展趋势”。

ISBN 978-7-03-048213-6

《极端环境微生物学》系统论述极端环境微生物概念、发展历程、研究范围，总结典型极端环境(包括荒漠、冻土、雪冰、陆地热泉、深海、高寒生态系统等)微生物多样性、生态适应机制及其研究进展，介绍极端环境微生物研究方法和极端环境微生物在工业、医药、农业和环境领域中的应用。全书内容系统全面、资料丰富新颖、结构逻辑严密，是论述微生物与极端环境关系的综合性专著，对读者系统了解和学习极端环境微生物学有重要参考价值。

一起阅读科学!

科学出版社│微信ID：sciencepress-cspm

专业品质 学术价值

原创好读 科学品味

点击“阅读原文”可购买本书

,